为大脑“作画”


  通过将解剖学资料和对于不同神经细胞行使何种功能的认识相结合,科学家绘制出了老鼠大脑局部的精细图谱。

  哈佛医学院(Harvard Medical School)和马克思·普朗克研究所医学中心(Max Plank Institute for Medical Research)的研究组,通过在神经元细胞中注入荧光染料,指出了老鼠视觉皮层和视网膜上的神经元。这些神经元对特定的刺激做出反应,就像一束向着不同的方向运动的光。然后,他们将这部分组织切片,并使用电子显微技术来绘制神经元之间的连接,呈现出细胞内一些极为细小结构的图像。在同时掌握了神经元如何连接及其行使何种功能的情况下,研究组对大脑如何工作有了深入的了解。

  上图所示由哈佛研究组创制的三维合成图像,是将拍摄于1000多个大脑组织切片的数百万张图像堆积叠合而制成的。该三维图像展示了半毫米宽的部分老鼠视觉皮层。构造神经映射图谱是一项规模庞大的工艺项目;研究者人工检查每一个切片、辨别每一个细胞的具体部位。在上图中,蓝色的圆形结构是神经元细胞,粉色的带子是血管,而升起和降落的蓝色长形条纹,是从神经元细胞延伸出来的细长手臂,被称为树突(dendrite)和轴突(axon)。

  马克思·普朗克研究中心的研究者们将一种染料应用到老鼠的视网膜上,这种染料仅在神经元被激活的时候发光显色。他们使用一种荧光显微镜来检测这种染料,辨别出表现为沿单一方向运动的神经元(左、右、上、下等)。在上图左侧的荧光显微图片中,视网膜神经元依据反应的方向被颜色编码。然后,利用上图右侧所示一堆厚厚的电子显微镜图像层,研究组从中分辨出这些细胞并开始追踪处理。

  当完成追踪之后,研究组制成了表明神经元连接的详细神经映射图谱。在这张由哈佛研究组绘制的神经映射图谱中(如上图),研究者根据神经元活动反应的方向,用颜色编码了14个神经元。浅蓝色的神经元通过神经突触(synapse),被连接到这14个神经元上。这种方法与其他技术不同,能够使科学家毫不费力的探索他们关注的某一神经元在神经网络中产生的全部连接。

  尽管处理过程的某些部分是自动化的,但大部分的分析工作是通过人工完成的。为了绘制如上图所示的神经映射图谱,研究者花费了20-40个小时的工作,用以追踪一个单一的神经元。两支研究队伍都表示,此领域的下一步研究工作是:开发无需人为输入也能追踪神经元的人工智能运算法则。

  这两个数据集每个所提供的绝对信息数量都是令人震惊的。上图所示,一张由马克思·普朗克研究所医学中心研究组绘制的神经映射图谱,被放置到用以创造它的那一堆电子显微图像层中,来说明这两者是如何重叠的。但是,相较于细胞间大规模的连接,其所包含的意义不仅如此——当放大到足够的程度,可以看到单个神经突触的生理机能。